Научная статья на тему 'Математическая модель процесса получения малоактивного технического углерода'

Математическая модель процесса получения малоактивного технического углерода Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
333
105
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Гимаев Р. Н., Мухамадеев Э. З., Галиев Р. Р.

Dependence of carbon black output, reactor temperatures and reaction gases structure from the air flow on the basis of thermochemical calculation of incomplete burning process is resulted.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Математическая модель процесса получения малоактивного технического углерода»

УДК 519.85+661 ББК 22.18+35.20

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ МАЛОАКТИВНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА Гимаев Р.Н., Мухамадеев Э.З., Галиев Р.Р.

Часть I. Расчет процесса неполного горения

Производство технического углерода - специфическая подотрасль нефтехимической промышленности. Отличительными особенностями технологического процесса являются жесткие условия пиролиза (температура в реакционной зоне не ниже 1000еС) и высокая степень гетерогенности реакции - сырье подается в реактор жидким, испаряется, а затем образует твердую фазу - технический углерод. До 90-х гг. ХХ в. модернизация и сооружение новых технологических линий, создание высокопроизводительного оборудования проводилось централизованно, с выделением значительных средств на проведение научно-исследовательских и проектных работ. Однако это касалось в основном процессов получения высоко- и полуактивных марок технического углерода, которые служат сырьем для производства шин. Основы оформления технологического процесса производства малоактивного техуглерода, который в основном потребляется заводами РТИ, не менялись с 70-х гг, когда произошел переход от многотопочных печей к вертикальным реакторам.

Все более ужесточающиеся требования потребителей к качеству технического углерода, а также рост цен на сырье являются побудительными причинами для поиска новых путей повышения экономической эффективности производства[2].

Основными технологическими приемами, обеспечившими развитие и интенсификацию производства технического углерода в конце ХХ в., являются повышение температуры воздуха, подаваемого на горение, и использование тепла вспомогательного топлива для поддержания необходимой температуры в реакционной зоне. В производстве малоактивных марок техуглерода эти приемы не внедрялись ни на одном из заводов. Использование рекуперативного подогрева воздуха и вспомогательного топлива в первую очередь влияют на выход продукции из сырья, который является основным фактором, определяющим экономическую эффективность процесса.

В связи с этим представляет интерес изучение применимости данных технологических приемов к условиям производства низкодисперсного технического углерода с удельной условной поверхностью 14-33 м2/г (что соответствует техуглероду марок П803 и П701 по ГОСТ 7885-86 с изменениями 1,2,3) и поиск оптимальных значений технологических параметров получения техуглерода, обеспечивающих требуемое качество и максимальный выход продукта. Для решения данной задачи создана математическая модель процесса образования техуглерода.

1. Термохимический расчет неполного горения

Термохимический расчет производится с целью определения выхода углерода, температуры и состава газов в конце реакционного канала при заданных значениях расхода топлива и воздуха, их физико-химических и технологических параметров. Для решения задачи оптимизации технологических параметров производства следует также определить удельные расходы сырья, топлива и воздуха. В результате термохимических расчетов необходимо получить зависимости выхода углерода, температуры и состава газов от расхода воздуха и топлива с тем, чтобы их в дальнейшем включить в систему уравнений математической модели процесса получения технического углерода[1].

Термохимический расчет выполняется путем совместного решения уравнений материального баланса по трем элементам (углероду, водороду и кислороду), уравнения равновесия реакции водяного газа и уравнения теплового баланса:

22 4

V + V + V = -^^(в С + С -ВУ (1) ЛН0 + Ун + 2УСН =-----— (вТНТ + Нс) , (2)

*СО2 со 1 усн4 1201 н 4 2 008 1

ЛШг + 0,5^0 + 0,5^2о = 0,2^В, (3) Хсо • Ч2о = КР • Хсо2 • Ч2, (4)

+ твс Уг = + Qс + а ф- а „, (5)

где: Л1 — объемы газов, м3/кг сырья; вТ _ расход топлива,, кг/кг сырья; Ст, Сс — содержание углерода в топливе и сырье, кг/кг; Нт, Нс содержание водорода в топливе и сырье, кг/кг; В - выход технического углерода, кг/кг; Лв — суммарный расход воздуха, м3/кг; Кр — константа равновесия водяного газа; Qx, Qс — теплота сгорания топлива и сырья, кДж/кг; аф — физическое тепло, поступающее в реактор с воздухом, сырьем и топливом, кДж/кг сырья; — теплопотери, кДж/кг сырья; Т - температура реакции, °К; ср — теплоемкости продуктов

реакции.

Искомыми величинами расчета являются ЛС02, ЛС0, ЛН2О, ЛН2, В и Т. Значениями Лсн4 и можно

задаваться. Таким образом, мы имеем 5 уравнений с 6-ю неизвестными.

Систему уравнений (1) - (5) мы сначала решим для случая, когда В = 0, с целью определения того минимального количества воздуха, поступающего на неполное горение, при котором углерод еще не образуется.

При более высоком расходе кислорода углерод, очевидно, образовываться не будет из-за приближения к условиям полного горения. В этом случае мы принимаем Лсн4= 0. Чтобы упростить расчеты, члены левой части уравнений (1) и (2) отнесем к их правой части. Тогда получим:

«СО2 +асо = 1, (6) аН2О + аНг = 1, (7) ага • а^ = Кр • ага2 • а^, (8)

38

раздел ФИЗИКА и ТЕХНИКА

где а1 - относительная степень превращения элементов.

Далее мы предполагаем, что первичными продуктами реакции кислорода с углеводородами являются СО2 и Н2О, которые вступают в реакции газификации с остальным количеством углеводородов по схеме:

т

И20 + С02 + СпНт ® пСО + у И2.

Поскольку здесь соотношения компонентов регулируются равновесием реакции водяного газа

СО2 + Н2 ~ СО + Н2О,

имеет место линейная связь между относительными степенями превращения сырья в СО и Н2, зависящая только от константы равновесия реакции водяного газа. Поскольку эта зависимость нам не известна, пишем:

а СО =а Н2 + ДКр). (9)

Совместное решение (6) — (9) дает

КР •ан -а . (10)

f(Kp) =

1 -ан + Кр ан

Н2 Р Н2

При неполном горении углеводородов аН2 изменяется в пределах 0,1—0,5. В таком узком диапазоне изменения аН2 уравнение (10) с погрешностью не более 3% может быть аппроксимировано соотношением:

Г(К)=&!!.. (I1)

р #7+2

Совместное решение уравнений (10) и (11) приводит к квадратному уравнению:

а= - 2а Н2 +_____________________________________1_= о- (12)

а-2 ^к;+1 (#;+1)2

Отсюда

1____. (13)

л/КР + 1

Подставляя это значение в уравнения (9), (6) и (7), получим:

а = л/кР , (14) а = л/кР , (15)

а Н2 =-

““"л/КТ+1 аН2О 'л/КТ+1

а = 1 , (16)

СО2 д/КТ + 1

На основании кислородного баланса (3) имеем

0,21Лв = ЛСо2 + 0,5ЛС0О + 0,5Лн2о, (17)

где Л10 - суммарный объем газов в реакциях газификации углеводородов без образования углерода.

Правые части уравнений (1) и (2) обозначим через: Л2С и (суммарные объемы углеродсодержащих и

водородсодержащих газов, соответственно). Поскольку до начала образования углерода прореагировало с кислородсодержащими газами только часть сырья Х,

V0 = с + ХС ), (18) V0 = 22,4 (в Н + ХН ) (19)

с 12 01 н 2 008

Объемы газов до начала образования углерода будут равны

Л0 = V, (20) Л0 = ЛесУКР (21)

Л = I------- усо

,Н2Ж+1 +1

Л0 = Ленл/К7 (22) Л0 = (23)

H20 л/Кр+1 со2 ТКГ+1

Совместное решение уравнений (17)-(23) относительно Х даёт:

Х = 0,21ЛВ -§т(аСт + РНт) , (24)

АСС + БНС

где:

22,4(1 + 0,5д/к7) (25) = 22,4^/КР (26)

12,01(д/к7 +1) “ 4,016^д/Кр +1)

Оставшееся сырьё в количестве (1-Х) кг в дальнейшем подвергается термическому разложению с образованием углерода и водорода. При этом, однако, продолжаются реакции частичной газификации углеводородных молекул, поэтому, в зависимости от строения углеводородов, степень превращения оставшегося сырья в углерод будет различной. Учитывая это, запишем:

В=Ь(1-Х), (27)

где Ь - коэффициент выхода техуглерода (постоянная величина для данного вида сырья).

А =

Определим максимальную температуру неполного горения Т^, которая соответствует температуре, при которой начинается образование углерода.

Количество тепла Qp, кДж/кг, поступающего в зону образования углерода, будет равно:

Яр = (1 - ЧП ) * [(ЯтОт + ) + Яг Т - 273 )орт + X(Тс - 273 )орс + ¥в (Тв - 273 )орв - 12670 ¥°а - 10770 ], (28)

где: qп- коэффициент теплопотерь (примем qп =0,05); Тт, Тс, Тв — температуры топлива, сырья, воздуха, °К; срт, срс, срв — теплоёмкости топлива, сырья, воздуха, кДж/кг, кДж/м3.

Это тепло расходуется на повышение теплосодержания газов. Для упрощения расчётов выразим

теплосодержание газов 1газ, кДж/кг, через теплосодержание азота 1ж, кДж/кг:

I, = 1,58Т - 630,5. (29)

Iгаз = (1,58Т - 630,5)(0,8УВ + 1,015УС00 + 0,946УН02 + ^ЭУ^ + 1,615УС002 ). (30)

Отсюда,

ТНПГ =-----------------------------^------------------------------+ 400 (31)

НПГ 1,58(0,79УВ + 1,015УС00 + 0,946УН + 1,273УН^г0 + 1,615УС00)

Суммарные объёмы углеродсодержащих и водородсодержащих газов в конце реакционного канала найдём из уравнений (1) и (2) (исходя из опытных данных, принимаем Усн4=0,04):

22 4 /тл\ 22 4

Ухс = ^^С, + СС - В) - 0,04, (32) Ухн =-г— ^тНт + НС) - 0,04. (33)

ЕС 12,01 т С ЕН 2,00» т

Решение уравнений (32) и (33) совместно с (3) и (4), даёт:

К

Vco, = 0,2Vb - VC + уън ) ±

2(KP -1)

2

(0,4Vb - Vsc ) у SC (34)

+ =■

KP -1

02у - Кр ( УХс + ухн)

_ ’ в 2(Кр -1)

где знак “плюс” берётся при Кр>1, а знак “минус” - при Кр<1.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Количества других веществ определяются по формулам:

У = У - У (35)

Ун2 = Ухн - 0,4Ув + УЕС + Ус02 , (36)

УН20 = 0,4Ув - Ухс - Ус02 (37)

Температура, необходимая для расчётов по формулам (34) - (37), определяется из теплового баланса в конце реактора:

Qк = 1М2 ХУ1к1 +1 угВ , (38)

где: QK - суммарное тепло реакций горения, газификации и образования углерода в конце реактора, кДж/кг;

У1 - объём 1 - го компонента газа, м3/кг;

к1 - отношение теплосодержаний 1 - го компонента и азота;

1уг - теплосодержание углерода, кДж/кг.

Аналогично (28) можно записать:

^ = (1 - qПЛё^т + QC) + (ТС - 273)срс + gт(Tт - 273)Срт + УВ(ТВ - 273)срв -

- 12670УС0 - 10770УН - 35600В - 50000УСН< ]. (39)

Аналогично (30) имеем:

ХУк = 0,8Ув + 1,015Ус0 + 0,946Ун2 + 1,273УнР + 1,615УШг + 2,03Усн4 (40)

Теплосодержание технического углерода равно, кДж/кг:

IУГ = 2,04Т -1104. (41)

Совместное решение уравнений (38) - (41) и (29) даёт:

^ QК + 630,5ХУк. + 1104В

Т = -^-------- -----^------------. (42)

1,58ХУ к + 2,04В

ЛИТЕРАТУРА

1. Л.П. Гилязетдинов. Технология сажи. М.: Московский институт нефтехимической и газовой промышленности им. И.М. Губкина. 1977. 101 с.

2. Мухамадеев Э.З.//Вестник Башкирского университета. 2006. № 1. С. 42-44.

Поступила в редакцию 15.06.06 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.